第三章 金属与合金的结晶
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第三章 合金的相结构和结晶
3.2 合金的相结构
固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化 合物两大类。
3.2.1固溶体
合金的组元之间以不同比例相互混合后形 成的固相，其晶体结构与组成合金的某一组元 的相同，这种相称为固溶体。与固溶体结构相 同的组元为溶剂，另一组元为溶质。碳钢和合 金钢，均以固溶体为基体相。
一、固溶体的分类
1、按溶质原子在溶剂晶格中所占位置分类 置换固溶体和间隙固溶体
相图是表示在平衡条件下合金系中合金的状态与温 度、成分间关系的图解，也称为平衡图或状态图。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各 相的成分和质量分数不再变化所达到的一种状态。
一、二元相图的表示方法
合金存在的状态通常 由合金的成分、温度 和压力三个因素确定。 常压 表象点
二、二元合金相图的测定方法
第三章 二元合金的相结构与结晶
合金：指两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔 炼或烧结，或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。 纯金属和合金的比较： 纯金属强度一般较低，不适合做结构材料 因此目前应用的金属材料绝大多数是合金，如应用最广泛的 碳钢和铸铁就是铁和碳的合金，黄铜就是铜和锌的合金。 合金性能优良的原因： 合金的相结构 合金的组织状态：合金相图
2、固溶体合金的结晶需要一定的温 度范围
固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行， 在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数 量的固相。随着温度的降低，固相的数量增加，同 时固相和液相的成分分别沿着固相线和液相线而连 续地改变，直至固相的成分与原合金的成分相同时， 才结晶完毕。这就意味着，固溶体合金在结晶时， 始终进行着溶质和溶剂原子的扩散过程，其中不但 包括液相和固相内部原子的扩散，而且包括固相与 液相通过界面进行原子的互扩散，这就需要足够长 的时间，才得以保证平衡结晶过程的进行。
金属的晶体结构和结晶
三、金属旳实际晶体构造
1、单晶体与多晶体旳概念 ➢ 单晶体：晶体内部旳晶格位向是完全一致。 ➢ 多晶体：由多晶粒构成旳晶体构造。晶粒与晶粒
之间旳界面称为晶界。
晶
晶
粒
界
3.1 金属旳构造
2、晶体中旳缺陷
（1）点缺陷
最常见旳点缺陷是空位和间隙原子，如下图所示。因为这 些点缺陷旳存在，会使其周围旳晶格发生畸变，引起性能 旳变化。
➢ 金属经过热处理能够在不变化化学成份旳前提下 取得不同旳组织，从而取得不同旳力学性能。
3.4 合金旳晶体构造
二பைடு நூலகம்合金晶体构造旳类型
根据构成合金旳各组元之间相互作用旳不同，合 金旳晶体构造可分为固溶体、金属化合物和机械混合 物三种类型。
1、固溶体 ➢合金在固态下，组元间仍能相互溶解而形成旳均匀 相，称为固溶体。 ➢形成固溶体后，晶格保持不变旳组元称溶剂，晶格 消失旳组元称溶质。 ➢固溶体旳晶格类型与溶剂组元相同。
晶体与非晶体旳根本区别在于其内部原子旳排列是否规则。
晶体有一定旳熔点，且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。
➢ 在自然界中，除一般玻璃、松香、石蜡等少数物质以外， 涉及金属和合金在内旳绝大多数固体都是晶体。
3.1 金属旳构造
(2)晶格、晶胞、晶格常数
➢用于描述原子在晶体中排列规则旳三维空间几何点阵称 为晶格。 ➢在晶格中就存在一种能够代表晶格特征旳最小几何单元， 称之为晶胞。 ➢描述晶胞大小与形状旳几何参数称为晶格常数。
Fe3C旳晶体构造
3.5 合金旳结晶
➢ 共晶转变 从一定化学成份旳液体合金中同步结晶出两种不 同固相旳机械混合物，则该转变过程称为共晶转 变。
➢ 共析转变 在固态下由一种单相固溶体同步析出两种不同固 相旳机械混合物，则该转变过程称为共析转变。
工程材料第三章金属与合金的结晶
匀晶转变
α
2
L 2’
(α+β)
α
βⅡ
3
(α+β) (α+β)
α βⅡ
时间
一次α相 一次α的成分沿AC线变化到C点
析出
βⅡ 液相的成分沿AE线变化到E点
183℃
LE
αc + βD
三、二元共晶相图
共晶相图：二元合金系中两组元在液态能完全溶解，而 在固态互相有限溶解，并发生共晶转变的相图
（一）相图分析
其它相线：液相线，固相线，固溶线
合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成 的一系列不同成分的合金的总称
合金的结晶特点：
1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温 度范围内完成，而纯金属在恒温下完成； 2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化 学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。
合金结晶：非恒温结晶 一、二元合金相图的基本知识 合金相图：又称合金平衡图， 表示在平衡状态下，合金的组 成相和温度、成分之间关系的 图解
补充：共析相图 共析转变：在恒定的温度下，一个有特定成分的固相分解成另外
两个与母相成分不相同的固相的转变过程，与共晶转变类似，S点为 共析点
共析相图：发生共析转变的相图
第三章 金属与合金的结晶
思考题
什么是过冷度？ 什么是共晶转变？ 工业生产中常采用哪些方法细化晶粒，
改善铸件的性能？
本章到此结束。
ALB为液相线，开始结晶，液相线以上为液态，L； AαB为固相线，结晶终了，固相线以下为固态区，α； 液相线与固相线之间为两相共存区，L+α
分析
1.液、固相线不仅是相区分线，也是结晶时两 相的成分变化线
3金属与合金的结晶
铸锭结晶组织
工程材料 第3章 金属与合金的结晶 11
三、金属结晶后的晶粒大小
金属的强度、硬度、塑性和韧性等都随晶 粒细化而提高 1.晶粒度——用来表示晶粒大小
①单位体积内的晶粒的数目；
②单位面积内的晶粒的数目； ③晶粒的平均直径或半径；
第3章 金属与合金的结晶 12
工程材料
晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8级 晶粒度 1 2 3 4 5 6 7 8 32 64 128 256 512 1024 2048 单位面积晶粒数 16 细晶强化 （个/mm2） —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象 250 177 125 88 62 44 31 22 晶粒平均直径 （μm）
QL/Q=b1c1/a1b1
T,C L 1500 1 1400 a1 b1 1300 L+ 1200 1100 a 1083 2 1000 Cu 20
工程材料
1455 c
c1
杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1 时两相在合金b中的相 T1 对质量各为 T2 QL/QH=b1c1/a1c1
单相无限固溶体；
第3章 金属与合金的结晶
工程材料
29
2.杠杆原理
确定两相区内两个组成 相（平衡相）以及相的 成分和相的相对量。
2. 随着温度的降低， 1. 在两相区内，对应 杠杆定律：在两相区内，对 两相的成分分别沿液 每一确定的温度，两 应每一确定的温度T1，两相 质量的比值是确定的。即 相线和固相线变化。 相的成分是确定的。
也叫平衡结晶温度，是在无限缓慢的冷却条件下结晶
的温度，用T0表示。
原因：结晶释放的结晶潜热补偿了向外界散失的热量。
工程材料
第3章金属与合金的结晶.
数目或晶粒的平均直径来表示。 晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能 均有很大的影响。金属的强度、硬度、塑性和韧性等都 随晶粒的细化而提高。
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
第三章 金属的结晶与二元合金相图
液相区L 双相区L+α 固相区α 液相线 固相线
固相区
匀 晶 相 图 合 金 的 结 晶 过 程 (P33)
☆在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是 不相同的,其变化规律是沿着固相线变化.与此同 时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化.
2,晶内偏析——枝晶偏析 (P33)
晶内偏析: 晶内偏析: 在一个晶粒内,各处 成分的不均匀现象. 因为金属通常以枝晶 方式结晶,先形成的 主干和后形成的支干 就会有化学成分之差, 枝晶偏析. 所以也称枝晶偏析 枝晶偏析
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 3,过冷度(△T):理论结晶温度与实际结 过冷度( 晶温度之差.对于纯金属: △T= T0- Tn 4,金属的结晶都 是在一定的过冷 度下进行的,这 种现象称过冷现 过冷现 象.
第一节 金属结晶的基础知识
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
7)α固溶体溶解度变化曲线——cf 8) β固溶体溶解度变化曲线——eg 9)三个单相区:L,α,β
10)液相线——adb 11)固相线——acdeb 12)共晶线——cde
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
13)三个两相区:L+α,L+β,α+β 14)一个三相区:L+α+β,在共晶转变过程中三相同时存在.
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 1,理论结晶温度 0: 又称平衡结晶温度. 理论结晶温度T 理论结晶温度 (冷速极慢)也就是金属的熔点Tm. 2,实际结晶温度 n:在某一实际冷却速度下 实际结晶温度T 实际结晶温度 的结晶温度.
第三章金属的晶体结构与结晶
第三章 金属的晶体结构与结晶
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
第三章金属的结晶、变形与再结晶
两个过程重叠交织
形核
长大
形成多晶体
⑴晶核的形成
1)自发形核 从液态内部由金属本身原子自 发长出结晶核心的过程叫做自发形核, 发长出结晶核心的过程叫做自发形核,形成的 结晶核心叫做自发晶核. 结晶核心叫做自发晶核.
2)非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过 程叫做非自发形核, 程叫做非自发形核,形成的结晶核心叫做非自 发晶核. 发晶核.
多晶体中每个晶粒位向不一致.一些晶粒的滑移面 和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软 位向), 另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应 力方向相差较大(称晶粒处于硬位向).在发生滑移 时,软位向晶粒先开始.当位错在晶界受阻逐渐堆 积时,其它晶粒发生滑移.因此多晶体变形时晶粒 分批地逐步地变形,变形分散在材料各处.
过冷度对N, 的影响 过冷度对 ,G的影响
②变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发 晶核的核心,以细化晶粒和改善组织. 晶核的核心,以细化晶粒和改善组织. ③振动,电磁搅拌等 振动, 搅拌等 对正在结晶的金属进行振动或搅动, 对正在结晶的金属进行振动或搅动,一方面可靠 外部输入的能量来促进形核,另一方面也可使成 外部输入的能量来促进形核, 长中的枝晶破碎,使晶核数目显著增加. 长中的枝晶破碎,使晶核数目显著增加.
滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面( ⑵滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排 和其上密度最大的晶向(密排方向)进行. 面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行.
滑移系
滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大, 滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大, 塑性就 越多 越好. 越好. 滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大 对滑移所起的作用比滑移面大, 滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大,所以面心 立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好. 立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好. 铝等金属的塑性高于铁,铬等金属; 金,银,铜,铝等金属的塑性高于铁,铬等金属; 而铁的塑性又高于锌,镁等金属. 而铁的塑性又高于锌,镁等金属.
第三章金属的结晶
第三章 金属的结晶与二元相图
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变 为另一个相的过程 称为相变。结晶过 程是相变过程。
3.1 纯金属的结晶
一、冷却曲线与过冷度
1、冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲 线称冷却曲线。曲线上水平阶段 所对应的温度称实际结晶温度T1。
单位时间内晶核生长的长度
过冷度对N、G的影响
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 凡是促进形核、抑制长大的 因素，都能细化晶粒。
3、控制晶粒度的方法
1）、控制过冷度：随过冷度增 加，N/G值增加，晶粒变细。 2）、变质处理：(孕育处理) 有意向液态金属内加入非
均匀形核物质从而细化晶粒的方法。
触后形成晶界。
2、晶核的形成方式
形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
非均匀形核更为普遍。
非均匀形核示意图
3、晶核的长大方式
晶核的长大方式有两种，即 均匀长大和树枝状长大。
在正温度梯度下，晶体生长 以平面状态向前推进。
均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。
二、铸造缺陷
常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点 等，它们对性能有害。
1、缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩
且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条
件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧
前应切除。
2、偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称
晶粒大小与金属强度的关系
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变 为另一个相的过程 称为相变。结晶过 程是相变过程。
3.1 纯金属的结晶
一、冷却曲线与过冷度
1、冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲 线称冷却曲线。曲线上水平阶段 所对应的温度称实际结晶温度T1。
单位时间内晶核生长的长度
过冷度对N、G的影响
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 凡是促进形核、抑制长大的 因素，都能细化晶粒。
3、控制晶粒度的方法
1）、控制过冷度：随过冷度增 加，N/G值增加，晶粒变细。 2）、变质处理：(孕育处理) 有意向液态金属内加入非
均匀形核物质从而细化晶粒的方法。
触后形成晶界。
2、晶核的形成方式
形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
非均匀形核更为普遍。
非均匀形核示意图
3、晶核的长大方式
晶核的长大方式有两种，即 均匀长大和树枝状长大。
在正温度梯度下，晶体生长 以平面状态向前推进。
均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。
二、铸造缺陷
常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点 等，它们对性能有害。
1、缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩
且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条
件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧
前应切除。
2、偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称
晶粒大小与金属强度的关系
第三章 金属的结晶结构与结晶
2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶 向是相互垂直的。 3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶 面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。
二、常见金属的晶格类型
原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两 原子之间距离的一半。
晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的 原子数目。 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。
面心立方晶格（fcc晶格）
⑴原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90°。
⑶原子半径
a 4 ⑷晶胞所含原子数 4个原子。
r
。 2
(5)致密度 74%。 (6)具有面心立方晶格的金属：γ -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、 Ag等。
密排六方晶格（hcp晶格）
第二章 金属的晶体结构与结晶
内容
金属的晶体结构 纯金属的结晶 金属的同素异构体 合金的晶体结构 合金的结晶
目的
掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力 学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做 好理论知识的准备
第一节 金属的晶体结构
一、晶体的基本知识
1、晶体和非晶体
固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非 晶体 晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几 何规律作周期性地排列 。
第二节
• • • •
纯金属的结晶
凝固与结晶的基本概念 冷却曲线和过冷现象 金属的结晶过程 金属结晶后的晶粒大小
一、 凝固与结晶的基本概念
凝固 物质由液态转变成固态的过程。 结晶 如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规 则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。
物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列 的过程。
二、常见金属的晶格类型
原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两 原子之间距离的一半。
晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的 原子数目。 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。
面心立方晶格（fcc晶格）
⑴原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90°。
⑶原子半径
a 4 ⑷晶胞所含原子数 4个原子。
r
。 2
(5)致密度 74%。 (6)具有面心立方晶格的金属：γ -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、 Ag等。
密排六方晶格（hcp晶格）
第二章 金属的晶体结构与结晶
内容
金属的晶体结构 纯金属的结晶 金属的同素异构体 合金的晶体结构 合金的结晶
目的
掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力 学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做 好理论知识的准备
第一节 金属的晶体结构
一、晶体的基本知识
1、晶体和非晶体
固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非 晶体 晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几 何规律作周期性地排列 。
第二节
• • • •
纯金属的结晶
凝固与结晶的基本概念 冷却曲线和过冷现象 金属的结晶过程 金属结晶后的晶粒大小
一、 凝固与结晶的基本概念
凝固 物质由液态转变成固态的过程。 结晶 如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规 则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。
物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列 的过程。
金属材料与热处理 第三章
第三单元金属材料的晶体结构与结晶一、名词解释1．晶体晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)呈规则排列的物质。
2．晶格抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子，称为晶格。
3.晶胞组成晶格的最小几何单元称为晶胞。
4.单晶体如果一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致，称这块晶体为单晶体。
5.多晶体由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。
6.晶界将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的那个内界面称为晶界。
7.晶粒多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。
8.结晶通过凝固形成晶体的过程称为结晶。
9.变质处理变质处理就是在浇注前，将少量固体材料加入熔融金属液中，促进金属液形核，以改善其组织和性能的方法。
10.合金合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。
11.组元组成合金最基本的、独立的物质称为组元。
12.相相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开。
13.组织组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。
14.定向结晶定向结晶是通过控制冷却方式，使铸件沿轴向形成一定的温度梯度，从而可使铸件从一端开始凝固，并按一定方向逐步向另一端结晶的过程。
15.滑移单晶体塑性变形时，在切应力作用下，晶体内部上下两部分原子会沿着某一特定的晶面产生相对移动，这种现象称为滑移。
二、填空题1.晶体与非晶体的根本区别在于原子排列是否规则。
2.金属晶格的基本类型有体心立方晶格、面心立方晶格与密排六方晶格三种。
3.实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。
4.金属结晶包括：晶核形成和晶核长大两个过程。
5.金属结晶的必要条件是过冷，金属的实际结晶温度不是一个恒定值。
6．金属结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。
7．金属的晶粒愈细小，其强度、硬度越高，塑性、韧性也越好。
第三章3 金属的结晶与相图之二元相图匀晶
(1)细晶区(2)柱状晶区(3)等轴晶区铸锭结构示意图 (1)细晶区(2)柱状晶区(3)等轴晶区铸锭结构示意图 细晶区(2)柱状晶区(3)
杠杆定律示意图
4.匀晶系合金的非平衡结晶及晶内偏析 匀晶系合金的非平衡结晶及晶内偏析
固溶体结晶时，只有在极缓慢冷却、原子扩散充分的条件下， 固溶体结晶时，只有在极缓慢冷却、原子扩散充分的条件下， 固相的成分才能沿着固相线均匀地变化， 固相的成分才能沿着固相线均匀地变化，最终获得与原合金 成分相同的均匀α固溶体。 成分相同的均匀α固溶体。 实际生产中冷却速度都较快，固态下原子扩散又很困难， 实际生产中冷却速度都较快，固态下原子扩散又很困难，致 使固溶体内的原子来不及充分扩散， 使固溶体内的原子来不及充分扩散，先结晶出的固溶体含高 熔点组元（ 中的Ｎ 较多， 熔点组元（Ｃu-Ｎi中的Ｎi）较多，后结晶出的固溶体含低 熔点组元（ 较多。 熔点组元 （ Ｃ u ） 较多 。 这种在一个晶粒内化学成分不均匀 的现象称为晶内偏析。 的现象称为晶内偏析。 偏析会降低合金的力学性能和工艺性能, 生产中采用均匀化 偏析会降低合金的力学性能和工艺性能 退火或扩散退火消除。 退火或扩散退火消除。
三、二元合金相图
相平衡: 在一定条件下, 相平衡: 在一定条件下,合金系中参与相变的各相成 分和相对重量不变所达成的一种状态。 分和相对重量不变所达成的一种状态 。 此时合金系 的状态稳定,不随时间而改变。相平衡是动态平衡。 的状态稳定,不随时间而改变。相平衡是动态平衡。 合金极缓慢冷却结晶过程可认为是平衡结晶过程。 合金极缓慢冷却结晶过程可认为是平衡结晶过程。 合金相图: 合金相图 : 是表明在平衡状态下合金系中各合金的 组成相与温度、 成分之间关系的图解， 组成相与温度 、 成分之间关系的图解 ， 又称合金平 衡图或合金状态图。 衡图或合金状态图。 通过相图可以了解合金系中各成分合金在不同温度 的组成相， 及各相的成分和相对量， 的组成相 ， 及各相的成分和相对量 ， 还可了解合金 在缓慢加热或冷却过程中的相变规律。 在缓慢加热或冷却过程中的相变规律。
第三章 金属与合金的结晶
械 制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
§3.2 合金的结晶
本章小结
习题
机 械
制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
§3.2 合金的结晶
本章小结
习题
机 械
制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
机
合金相图：表达温度、成分与相之间关系，又称为合金平衡图或 械
合金状态图。 合金相图是制订金属冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的理
论基础。
制 造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
习题
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3-1 解释下列名词
结晶 过冷现象 过冷度 变质处理 晶核 同素异构转变 枝晶偏
析 共晶转变
3-2 晶粒大小对金属的力学性能有何影响? 生产中有哪些细化晶粒的
影响过冷度的因素：冷却速度
械 制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
二、纯金属的结晶过程
形核
当液态金属冷却到接近理论结晶温度时，形成一
批类似于晶体中原子有规则排列的小集团。这些
小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当温
度下降到低于理论结晶温度时，这些小集团中的
一部分就稳定下来，成为结晶核心。
理论结晶温度 实际结晶温度
开
结
始
晶
结
终
晶
了
实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，
金属学及热处理习题参考答案(1-9章)
第一章金属及合金的晶体结构一、名词解释：1．晶体：原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质。
2．非晶体：指原子呈不规则排列的固态物质。
3．晶格：一个能反映原子排列规律的空间格架。
4．晶胞：构成晶格的最基本单元。
5．单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。
6．多晶体：由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的聚合体。
7．晶界：晶粒和晶粒之间的界面。
8．合金：是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。
9．组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。
10．相：金属中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。
11．组织：用肉眼观察到或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态及分布的图象统称为组织。
12．固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。
二、填空题：1．晶体与非晶体的根本区别在于原子（分子、离子或原子集团）是否在三维空间做有规则的周期性重复排列。
2．常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。
3．实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。
4．根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。
5．置换固溶体按照溶解度不同，又分为无限固溶体和有限固溶体。
6．合金相的种类繁多，根据相的晶体结构特点可将其分为固溶体和金属化合物两种。
7．同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性，良好的塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。
8．金属晶体中最主要的面缺陷是晶界和亚晶界。
9．位错两种基本类型是刃型位错和螺型位错，多余半原子面是刃型位错所特有的。
10．在立方晶系中，｛120｝晶面族包括(120)、(120)、(102)、(102)、(210)、(210)、(201)、(201)、(012)、(012)、(021)、(021)、等晶面。
第三章 金属与合金的结晶
2015-1-4 材料科学与工程学院多媒体课件 2
第3章 金属与合金的结晶
凝固： 液体 ——> 固体（晶体 或 非晶体） 结晶： 液体 →晶体
液体 晶体
2015-1-4
材料科学与工程学院多媒体课件
3
第3章 金属与合金的结晶
§3.1 结晶的基本规律
一、冷却曲线：通过实验，测得液体金属在结晶时的 温度－时间曲线称为冷却曲线。
按处理均匀形核同样的方法可求出非均匀形核的临界半 径r’k和形核功ΔG’k:
2L 2LTm r' k GV LmT
(3-15)
3 1 2 3 cos cos (3-16) 2 G 4r kL 3 4
经比较知，均匀形核的临界半径与非均匀形核临界球冠半 径是相等的，而它们的临界形核功关系为：
2015-1-4 材料科学与工程学院多媒体课件 16
第3章 金属与合金的结晶
当 r<rk 时，晶胚的长大使系统自由能增加，晶胚不能长大。 当 r>rk 时，晶胚的长大使系统自由能降低，这样的晶胚称为
临界晶核，rk为临界晶核半径。 对 ΔG =-4/3πr3ΔGv+4πr2σ进行微分并令其等于零可得： 2Tm rk Lm T
σLα、σαβ、σLβ分别为各相应界面的表面能。 经整理化解可得：
2 3 cos cos3 4 3 2 r GV 4r L GV (3-14) 4 3
2015-1-4 材料科学与工程学院多媒体课件 23
第3章 金属与合金的结晶
结晶阻力：
液态金属结晶时，必须建立同液体相隔开的晶体界面而消 耗能量A(表面能)。这种产生新界面所需的能量A即为液态金属 结晶的阻力。
第3章 金属与合金的结晶
凝固： 液体 ——> 固体（晶体 或 非晶体） 结晶： 液体 →晶体
液体 晶体
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3
第3章 金属与合金的结晶
§3.1 结晶的基本规律
一、冷却曲线：通过实验，测得液体金属在结晶时的 温度－时间曲线称为冷却曲线。
按处理均匀形核同样的方法可求出非均匀形核的临界半 径r’k和形核功ΔG’k:
2L 2LTm r' k GV LmT
(3-15)
3 1 2 3 cos cos (3-16) 2 G 4r kL 3 4
经比较知，均匀形核的临界半径与非均匀形核临界球冠半 径是相等的，而它们的临界形核功关系为：
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第3章 金属与合金的结晶
当 r<rk 时，晶胚的长大使系统自由能增加，晶胚不能长大。 当 r>rk 时，晶胚的长大使系统自由能降低，这样的晶胚称为
临界晶核，rk为临界晶核半径。 对 ΔG =-4/3πr3ΔGv+4πr2σ进行微分并令其等于零可得： 2Tm rk Lm T
σLα、σαβ、σLβ分别为各相应界面的表面能。 经整理化解可得：
2 3 cos cos3 4 3 2 r GV 4r L GV (3-14) 4 3
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第3章 金属与合金的结晶
结晶阻力：
液态金属结晶时，必须建立同液体相隔开的晶体界面而消 耗能量A(表面能)。这种产生新界面所需的能量A即为液态金属 结晶的阻力。
03《工程材料》第三章 材料的凝固与结晶组织
1）正常价化合物
（金与非，遵守化合价规律，脆、硬度较高） ； 2）电子化合物 （金与金，金属键，脆，硬度较高） ；
3）间隙化合物
（金与非，脆，硬度极高 、熔点高）
• 原子半径比＜0.59，形成简单间隙相。如 VC、TiC、 ZrC。 • 原子半径比＞0.59，形成复杂结构的间隙化合物。 如钢中Fe3C、Cr7C3。
共析反应是在固态下进 行，原子扩散困难，共析体 比共晶体要细密。
钢中的珠光体
5.合金性能与相图的关系 固溶体和纯金属都是单相组织，
但固溶体的强度要远高于纯金属的强度。 固溶强化： 加入合金元素形成固溶体, 使强度增加。
共晶（共析）体的力学性能： 合金为共晶或共析状态时，层片状组织越细密， 相界面就增多，强度和硬度就会增高。
合金III（亚共晶合金）组成
计算Pb75-Sn25合金共晶温度的组成相α与β的质量分数 （α93％；β7％）
Pb75-Sn25合金共晶温度的组织组成物：α与共晶体的质量分数 （α86％；共晶体14％）
4、共析相图
从γ相冷却到共析 温度，发生共析反应:
γ → (α+β) 共析体
Ⅰ
共析体：一种固相转变 成两种互相叠加的固相混合 物（层片状机械混合物） 。
ωα ＝（97.5-61.9）／（97.5-19.2） ＝0.455（45.5％） ωβ ＝？
合金III：（亚共晶合金） L → L+α初 →α初+(α+β）→α初+α+β+βII
Pb-Sn亚共晶合金显微组织 黑色枝晶为α初固溶体，黑白相间分布的组 织为（α+β）共晶体， α初内析出白色小颗粒为βII 固溶体。
合金II：（共晶反应）L→L+(α +β)→α+β 相组成物：α、β 组织组成物：共晶体(α+β) 成分：共晶体=100% 形态：呈交替分布的层片状混合物。
第三章金属的结晶变形与再结晶
学习难点：
1.金属滑移的机理； 2.加工硬化的位错理论。
§ 3-1 纯金属的结晶
一、几个概念
1、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝
固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。
凝固后是否形成晶体与液体的粘度和冷却速度有关。 粘度大，液体粘稠，相对运动困难，凝固时极易形 成无规则结构。
冷却速度直接关系到原子或分子的扩散能力。当冷 却速度大于107ºC/S时，可阻止金属及合金的结晶， 获得非晶态金属材料。
晶粒大小与金属强度的关系
五、金属的同素异晶转变
同素异晶转变：固态下，随温度的改变，金属由一 种晶格类型转变为另一种晶格类型的现象。
与结晶过程相似，同素异晶转变也是一个重结晶过 程。遵循着结晶的一般规律。只是同素异晶转变在 固态下进行，原子的扩散较难，转变时需要较大的 过冷度。若转变时晶格的致密度有改变，将引起晶 体体积的变化，使其产生较大的内应力。
大多数金属没有同素异晶转变，而铁、锰、锡等金 属有同素异晶转变。如铁
在金属晶体中，铁的同素 异晶转变最为典型，也是 最重要的。纯铁的冷却曲 线如右图所示。
-Fe、-Fe、 -Fe是铁 在不同温度下的同素异构 体。 -Fe和-Fe都是体 心立方晶格，分别存在于 熔点至1394℃之间及 912℃以下。-Fe是面心 立方晶格，存在于 1394℃~912℃之间。
纯铁的同素异晶转变
§3-2 金属材料的塑性变形特性
金 属与合金的铸态组织中往往具有晶粒粗大不均匀、组织不 致密和成分偏析等缺陷，因此金属材料经冶炼浇注后大多要 进行各种压力加工，如轧制、锻造、挤压、拉拔等，制成型 材和工件再予使用。
金属经压力加工，不仅改变了外形，而且也使材料内部的组 织和性能发生很大变化，讨论金属的塑性变形规律和塑变后 加热转变具有重要的意义，压力加工的实质就是塑性变形。
1.金属滑移的机理； 2.加工硬化的位错理论。
§ 3-1 纯金属的结晶
一、几个概念
1、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝
固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。
凝固后是否形成晶体与液体的粘度和冷却速度有关。 粘度大，液体粘稠，相对运动困难，凝固时极易形 成无规则结构。
冷却速度直接关系到原子或分子的扩散能力。当冷 却速度大于107ºC/S时，可阻止金属及合金的结晶， 获得非晶态金属材料。
晶粒大小与金属强度的关系
五、金属的同素异晶转变
同素异晶转变：固态下，随温度的改变，金属由一 种晶格类型转变为另一种晶格类型的现象。
与结晶过程相似，同素异晶转变也是一个重结晶过 程。遵循着结晶的一般规律。只是同素异晶转变在 固态下进行，原子的扩散较难，转变时需要较大的 过冷度。若转变时晶格的致密度有改变，将引起晶 体体积的变化，使其产生较大的内应力。
大多数金属没有同素异晶转变，而铁、锰、锡等金 属有同素异晶转变。如铁
在金属晶体中，铁的同素 异晶转变最为典型，也是 最重要的。纯铁的冷却曲 线如右图所示。
-Fe、-Fe、 -Fe是铁 在不同温度下的同素异构 体。 -Fe和-Fe都是体 心立方晶格，分别存在于 熔点至1394℃之间及 912℃以下。-Fe是面心 立方晶格，存在于 1394℃~912℃之间。
纯铁的同素异晶转变
§3-2 金属材料的塑性变形特性
金 属与合金的铸态组织中往往具有晶粒粗大不均匀、组织不 致密和成分偏析等缺陷，因此金属材料经冶炼浇注后大多要 进行各种压力加工，如轧制、锻造、挤压、拉拔等，制成型 材和工件再予使用。
金属经压力加工，不仅改变了外形，而且也使材料内部的组 织和性能发生很大变化，讨论金属的塑性变形规律和塑变后 加热转变具有重要的意义，压力加工的实质就是塑性变形。
机械制造基础第三章金属与合金的结晶习题解答
第三章金属与合金的结晶习题解答3-1解释下列名词结晶过冷现象过冷度变质处理晶核同素异构转变枝晶偏析共晶转变答：结晶一一是液态金属凝固为固态的过程。
过冷现象一一是指实际结晶温度总是低于理论结晶温度的现象。
过冷度一一理论结晶温度与实际结晶温度的差值。
变质处理一一在液态金属结晶前加入变质剂，以增加可形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法。
晶核一一最先形成的、作为结晶核心的微小晶体称为晶核。
同素异构转变一一金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化过程。
枝晶偏析——在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，叫枝晶偏析。
共晶转变一一一定成分的液相同时结晶出两种不同固相的转变过程。
3-2晶粒大小对金属的力学性能有何影响？生产中有哪些细化晶粒的方法？答:在常温下，细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。
生产中细化晶粒的方法有：增加过冷度、变质处理、附加振动和降低浇注速度。
3-3如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：(1) 金属型铸造与砂型铸造；(2) 高温浇注与低温浇注；(3) 浇注时采用振动与不采用振动；(4) 厚大铸件的表面部分与中心部分。
答：(1)金属型铸造晶粒较细小；(2)高温浇注晶粒较细小；(3) 浇注时采用振动晶粒较细小；(4)厚大铸件表面晶粒较细小。
3-4试分析比较纯金属、共晶体、固溶体三者在结晶过程和显微组织上的异同之处。
3-5金属的同素异构转变与液态金属结晶有何异同之处？答：金属同素异构转变和结晶过程都有固定的温度、有结晶潜热释放、都有形核、长大过程；但同素异构转变是固相间的转变而结晶是由液相向固相转变；同素异构转变过冷度更大，会产生更大的内应力。
3-6根据Pb-Sn相图，分析w sn = 40%和w sn = 80%的两种Pb-Sn合金的结晶过程及室温下的组织。
答：w sn = 40%的Pb-Sn合金的结晶过程如下：题3-6图中的合金I为w sn = 40 %的Pb-Sn合金。
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现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：
① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成
分垂线。在成分垂线相当
于温度t 的o点作水平线， t
其与液固相线交点a、b所
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
1
2
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1
2.2 金属的结晶
第一节 纯金属的结晶 第二节 合金的结晶 第三节 铁碳合金相图 第四节 凝固组织及其控制
物质由液态转变为固 态的过程称为凝固。
物质由液态转变为晶 态的过程称为结晶。
物质由一个相转变为 另一个相的过程称为 相变。因而结晶过程 是相变过程。
玻璃制品 水晶
第一节 纯金属的结晶
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变
晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
析出过程中两相相间 形核、互相促进、共 同长大，因而共晶组 织较细，呈片、棒、 点球等形状。
共晶组织 形态
Pb-Sn共晶组织
层片状(Al-CuAl2定向凝固) 条棒状(Sb-MnSb横截面)
螺旋状（Zn-Mg）
共晶组织形态
针
树
状
枝
共
状
晶
共
晶
化， Ⅱ的重量增加。
室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ
F 4 100% FG
由于二次
相析出温
度较低，
一般十分
细小。
Q
QⅡ
Ⅰ合金室温组织
为 + Ⅱ 。
A C
F
B 成分大于 D点合金结晶
E
D
过程与Ⅰ合金相似，室
温组织为 + Ⅱ 。
G
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共
-Fe
-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部
位发生（如晶界、晶内缺 陷、特定晶面等）。
固态相变的晶界形核
(Sn-0.5%Cu铸态，255K)
锡 疫
⑵由于固态下扩散困难， 因而过冷倾向大。
⑶固态转变伴随着体积变 化，易造成很大内应力。
第二节 合金的结晶
一、二元相图的建立 二、二元相图的基本类型与分析
2、晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
非均匀形核更为普遍。
非 均 匀 形 核 示 意 图 均匀形核
3、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。
均匀长大
合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的 一系列不同成分的合金。
组元是指组成合金的最简
单、最基本、能够独立存
L
在的物质。
温度（℃）
多数情况下组元是指组成 合金的元素。但对于既不 发生分解、又不发生任何 反应的化合物也可看作组 元, 如Fe-C合金中的Fe3C。
Cu 成分（wt %Ni） Ni
在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。
正温度梯度
实际金属结晶主要以树枝状长大.
这是由于存在负温度梯度，且晶核
棱角处的散热条件好，生长快，先
形成一次轴，一次轴又会产生二次
轴…，树枝间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大的实际观察
树枝状结晶
金
金
属 的
属 的
树
树
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
相图中的CF、DG
B
线分别为 Sn在 Pb
中和 Pb在 Sn中的
固溶线。
固溶体的溶解度随 温度降低而下降。
⑤ 共晶线：水平线CED叫做共晶线。 在共晶线对应的温度下（183 ℃），E点成分的合金同
时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，
形成这两个相的机械混合物：
LE ⇄(C + D)
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。
3. 将垂线上相同意 义的点连接起来， 并标上相应的数字 和字母。
相图中，结晶开始点 的连线叫液相线。结 晶终了点的连线叫固 相线。
Cu-Ni合金相图
二、二元相图的基本类型与分析
1、二元匀晶相图
两组元在液态和固 态下均无限互溶时 所构成的相图称二 元匀晶相图。
直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶 格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—
相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
H
由 析出的二次 用Ⅱ 表示。 随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变
A
在一定温度下，由一定成
B
分的液相同时结晶出两个
成分和结构都不相同的新
固相的转变称作共晶转变
或共晶反应。。
共晶反应的产物，即两 相的机械混合物称共晶 体或共晶组织。发生共 晶反应的温度称共晶温 度。代表共晶温度和共 晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散
SnБайду номын сангаас子 扩散
Pb-Sn共晶组织
共晶体长大示意图
液态金属中存在着原子排 列规则的小原子团，它们 时聚时散，称为晶坯。在 T0以下, 经一段时间后(即 孕育期), 一些大尺寸的晶 坯将会长大，称为晶核。
液体和晶体自由能随温度变化
ΔT
T1 T0
晶 核 半 径 与 关 系
ΔG
晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶 核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体 完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶 粒接触后形成晶界。
杠杆定律只适用于两相区。
例（如图）
Q
0.53 0.45 100% 61.5% 0.58 0.45
QL
0.58 0.58
0.53 0.45
100%
38.5%
⑶ 枝晶偏析
合金的结晶只有在缓慢冷却 条件下才能得到成分均匀的 固溶体。但实际冷速较快， 结晶时固相中的原子来不及 扩散，使先结晶出的枝晶轴 含有较多的高熔点元素（如 Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶 的枝晶间含有较多的低熔点 元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。
放
螺
射
旋
状
状
共
共
晶
晶
在共晶转变过程中，L、
、 三相共存, 三个相的
量在不断变化，但它们各 自成分是固定的。
共晶组织中的相称共晶相.
共晶转变结束时， 和
相的相对重量百分比为：
C(19.2)
E(61.9) D(97.5)
Q
ED 100% CD
97.5 61.9 100% 45.4% 97.5 19.2
结晶只有在T0以下的实际
雾
结晶温度下才能进行。
凇
液态金属在理论结晶温 度以下开始结晶的现象 称过冷。
理论结晶温度与实际结 晶温度的差T称过冷度
T= T0 –T1 过冷度大小与冷却速度
有关，冷速越大，过冷 度越大。
二、结晶的一般过程
1、结晶的基本过程 结晶由晶核的形成和晶核
的长大两个基本过程组成.
成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3 时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变 回到合金成分3上 来。
液固相线不仅是相 区分界线, 也是结晶 时两相的成分变化 线；匀晶转变是变 温转变。
⑵ 杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的
成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡
成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共
晶点以右的合
金称过共晶合
A
金。 凡具有共晶线
成分的合金液
L+
B
C
D
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种
Cu-Ni合金相图
相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温 度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处 理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
一、二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
一、冷却曲线与过冷
1、冷却曲线 金属结晶时温度与时间的
关系曲线称冷却曲线。曲 线上水平阶段所对应的温 度称实际结晶温度T1。 曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
纯金属的冷却曲线
2、过冷与过冷度 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶
温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。
在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的 现象称作枝晶偏析。
不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 生产上常将铸件加热到固相线
以下100-200℃长时间保温， 以使原子充分扩散、成分均匀， 消除枝晶偏析，这种热处理工 艺称作扩散退火。
三种相, 是溶质Sn在
B
Pb中的固溶体， 是溶 质Pb在Sn中的固溶体。
② 相区：相图中有三个 单相区： L、、；三 个两相区： L+、L+、 + ；一个三相区：即 水平线CED。